2017年湖南自然科学奖公示材料-湖南科技大学

推荐2017年度湖南省自然科学奖公示材料
项目名称：
耐损伤高强铝合金组织与性能调控技术研究
推荐奖种：
自然科学奖
主要完成人：
刘文辉邓运来陈宇强
主要完成单位：
湖南科技大学中南大学
推荐单位：
湖南科技大学
项目简介：
铝合金具有密度低、比强高、导热性好等一系列优点，在航空航天、轨道交通以及核电工程等领域有着非常广泛的应用，然而，疲劳损伤一直是威胁铝合金构件服役安全的主要原因。

因此，设计制备耐损伤高强铝合金一直是工程与材料科学领域研究的热门课题。

本项目以晶体塑性理论为基础，建立织构演化、微空洞、微裂纹演化的3D 晶体细观模型，为高强铝合金构件的损伤演化研究赋予真实的几何形象和物理过程，模拟分析第二相、晶体取向等对铝合金损伤演化的影响，优化高强铝合金微观组织以提高铝合金断裂性能。

以优化的微观组织为目标，通过调控材料成分、均匀化制度、固溶处理、淬火工艺制备耐损伤高强铝合金。

发表的8篇代表性论文他引283次，SCI他引100余次，受到了国内外同行的高度关注。

本项目完成了国家973计划2项、国家自然科学基金委机械工程学科青年基金1项，另有3项在研国家自然科学基金。

本项目采用理论分析、计算模拟和实验分析等手段，从宏、细、微观三个尺度揭示铝合金构件中晶体取向、粒子形状与尺寸、织构等对损伤形核及演化的影响，探明有利于提高高强铝合金断裂性能的细观结构，最后通过优化材料成分、均匀化制度、固溶处理、淬火工艺来调控铝合金的第二相粒子、晶体取向分布，制备耐损伤高强铝合金，取得了系列创新性的研究成果：1）在有限元模型中以晶体取向为桥梁引入材料的织构信息和考虑各向异性效应的晶体塑性本构模型，首次建立了晶体取向与损伤演化的3D晶体有限元模型，揭示了晶体取向影响空洞形状、空洞长大方向、空洞加速聚合以及裂纹形成的原因；2）建立了铝合金损伤演化的多晶体有限元模型，确立了FCC
晶体中取向差对空洞聚合的影响，首次从位错滑移理论的角度揭示了再结晶影响合金断裂模式的物理本质；3）揭示了高强度铝合金在均匀化热处理过程中第二
Zr相均匀分布的热处理技术模型，相粒子间的交互作用机理，建立了一种促进Al
3
提出了一种提高铝合金疲劳性能的均匀化制度；4）探明了高强度铝合金织构、第二相粒子等显微组织在分级固溶热处理过程中的演变规律，揭示了固溶制度对织构及损伤演化的影响规律；5）建立了高强铝合金淬透性的表征方法，确定了淬火冷却过程中主合金元素、微合金化以及晶体缺陷对高强度铝合金淬火敏感性的影响机理； 6）结合原位观测以及微观组织分析，阐明了粗大第二相、晶界以及晶粒取向等微结构特征对铝合金疲劳行为的本质作用机理，揭示了Cube、Brass等织构特征对铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理，制备了不同晶粒尺寸以及织构特征的合金，分析了Brass和Cube织构对铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响，进一步验证了微结构特征对铝合金疲劳损伤行为的影响规律，提出了一种黄铜织构抗疲劳铝合金板材的加工方法。

这些研究成果为高强高韧铝合金构件的设计、成形及加工提供了重要的理论依据和技术支持。